基于圖注意力網(wǎng)絡(luò)模型下的公交OD客流預(yù)測

摘要 文章針對城市公交OD客流預(yù)測問題，提出了一種融合圖注意力網(wǎng)絡(luò)和多源數(shù)據(jù)的時空客流預(yù)測模型。首先，通過構(gòu)建時空圖注意力網(wǎng)絡(luò)模型STGAT（Spatio-Temporal Graph Attention Network），引入圖注意力機(jī)制自適應(yīng)學(xué)習(xí)站點(diǎn)間的影響權(quán)重；然后，引入站點(diǎn)POI等空間特征增強(qiáng)模型的解釋性；最后，通過案例分析表明，所提出的STGAT模型在客流預(yù)測的精度和穩(wěn)定性方面均優(yōu)于其他主流方法。

關(guān)鍵詞 公交客流預(yù)測；圖注意力網(wǎng)絡(luò)；時空依賴；POI

中圖分類號 U121 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0046-03

0 引言

近年來，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口數(shù)量持續(xù)增長，由此帶來的交通擁堵、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，已成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此準(zhǔn)確預(yù)測公交客流需求，特別是OD（Original Destination）客流分布，是制定公交合理調(diào)度方案的前提。

Yang[1]等人利用LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型處理時間序列的優(yōu)勢，提出了ELF-LSTM遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對短時OD客流進(jìn)行預(yù)測，該模型克服了因時間滯后導(dǎo)致的長時間依賴性學(xué)習(xí)不足的局限性；侯曉云[2]等人將MLR、KNN、XGBoost和LSTM進(jìn)行集成，通過預(yù)測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)集成模型的預(yù)測效果優(yōu)于子模型；Yang[3]等人提出了一種基于時間的城市軌道交通客流分層網(wǎng)絡(luò)模型，該模型在深度優(yōu)化框架下，能夠有效地獲得相對準(zhǔn)確的客流估計結(jié)果。

該文提出一種融合圖注意力網(wǎng)絡(luò)和多源數(shù)據(jù)的時空客流預(yù)測模型，通過對北京公交1路車IC刷卡數(shù)據(jù)和站點(diǎn)POI數(shù)據(jù)的分析，揭示客流在時空維度上的分布特征；通過構(gòu)建時空圖注意力網(wǎng)絡(luò)模型，引入圖注意力機(jī)制自適應(yīng)學(xué)習(xí)站點(diǎn)影響權(quán)重，結(jié)合門控循環(huán)單元捕捉客流時序依賴，并引入POI等空間特征增強(qiáng)解釋性，最后通過案例驗證所提模型在預(yù)測精度和穩(wěn)定性方面的優(yōu)異

性能。

1 相關(guān)理論與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 公交IC刷卡數(shù)據(jù)

該文采集了北京公交1路車IC刷卡數(shù)據(jù)及各站點(diǎn)附近的POI情況，然后利用公交線路和站點(diǎn)基礎(chǔ)信息匹配其站點(diǎn)名和站點(diǎn)編號，從而得到模型和算法可用的OD矩陣數(shù)據(jù)，最后基于線路站點(diǎn)基礎(chǔ)信息中匹配的站點(diǎn)名和站點(diǎn)編號，根據(jù)運(yùn)營時間每小時將矩陣數(shù)據(jù)生成一個矩陣，一天運(yùn)營時間為5：00—24：00，所以一天共有19個矩陣。

使用Arc GIS的緩沖區(qū)分析工具，建立北京公交1路車各站點(diǎn)500 m范圍內(nèi)的緩沖區(qū)，通過對七種不同類型的POI數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO和巴特利特檢驗，逐步剔除關(guān)聯(lián)不大的POI類型，最終確定五種與客流相關(guān)性較大的POI，分別是醫(yī)療保健、體育休閑服務(wù)、科教文化、購物、商務(wù)住宅，其中KMO檢驗值為0.86（gt;0.6）、Bartlett球形檢驗概率值為0.000（lt;0.01），可以判斷相關(guān)系數(shù)矩陣不是單位矩陣，原始變量存在相關(guān)關(guān)系，可以對客流的吸引力進(jìn)行解釋。

1.2 POI權(quán)重分析

POI，全稱為“Point of Interest”，可以泛指所有能夠抽象為點(diǎn)的地理實體，該文采用相關(guān)系數(shù)法，即以POI核密度與客流量之間的相關(guān)系數(shù)為權(quán)重[4]，通過GIS進(jìn)行疊加分析，確定各類POI數(shù)據(jù)的權(quán)重，在各類POI數(shù)據(jù)分級評分的基礎(chǔ)上對各類POI數(shù)據(jù)的分析結(jié)果進(jìn)行加權(quán)疊加，最終得到這五種類型的POI權(quán)重如表1所示：

將POI權(quán)重分析的結(jié)果與前文的客流時空分布特征分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)合，發(fā)現(xiàn)不同站點(diǎn)的客流不均勻性與周邊POI的豐富性和類型密切相關(guān)。

2 基于時空圖注意力網(wǎng)絡(luò)的OD客流預(yù)測

STGAT通過引入圖注意力機(jī)制刻畫各站點(diǎn)之間的空間依賴，并使用門控循環(huán)單元捕捉客流在不同時間尺度上的演變規(guī)律。

（1）模型輸入與圖構(gòu)建。該文將道路網(wǎng)絡(luò)定義為一張有向帶權(quán)圖G=（V， E， A），其中，V=v1，v1，…，vN，表示N個公交站點(diǎn)的集合；E表示站點(diǎn)間的連接關(guān)系；為鄰接矩陣，表示站點(diǎn)間的距離；在每個時間步t，輸入表示N個站點(diǎn)的P維特征，包括各站點(diǎn)的進(jìn)出站客流量、POI密度及相應(yīng)權(quán)重。

（2）時空卷積層。圖注意力模塊負(fù)責(zé)對站點(diǎn)間的空間依賴進(jìn)行建模，其計算過程可以表示如下：

（1）

式中，——第l層空間卷積后站點(diǎn)的特征向量；——可學(xué)習(xí)的權(quán)重矩陣；——站點(diǎn)對站點(diǎn)的注意力權(quán)重；Ni——站點(diǎn)的鄰居集合。

在對站點(diǎn)信息進(jìn)行空間聚合后，通過門控循環(huán)單元進(jìn)一步對時序信息進(jìn)行建模，而對于STGAT的GRU門控機(jī)制，則通過更新門zt和重置門rt控制其隱藏狀態(tài)的信息流：

（2）

（3）

（4）

（5）

式中，xt——t時刻的輸入；——上一時刻的隱藏狀態(tài)。

對于預(yù)測未來個時間步的客流分布，則STGAT的輸出可以表示如下：

（6）

式中，Th——?dú)v史時間步數(shù)。

（3）模型訓(xùn)練與優(yōu)化。模型以端到端的方式進(jìn)行訓(xùn)練，以各站點(diǎn)歷史客流數(shù)據(jù)為輸入，以未來Tp個時間步的OD矩陣為監(jiān)督信號。其中，Xt分別為時間步t的真實OD矩陣，Tp為預(yù)測時間步數(shù)。

3 案例分析

STGAT模型的實例驗證選取2019年北京市公交1路車上行方向的OD客流量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)集進(jìn)行劃分，將1—11月數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集、12月前三周數(shù)據(jù)作為測試集、12月第四周數(shù)據(jù)作為預(yù)測集，分別采用CNN、RNN、LSTM、GCN這四種預(yù)測模型對OD客流進(jìn)行預(yù)測對比分析，見圖1所示。

STGAT模型的驗證選取2019年北京公交1路車下行方向的OD客流量數(shù)據(jù)，經(jīng)過上述對數(shù)據(jù)的處理可以得知，同樣采用CNN、RNN、LSTM、GCN這四種預(yù)測模型對OD客流進(jìn)行預(yù)測對比分析，見圖2所示：

圖1和圖2分別展示了各模型在北京公交1路車上、下行方向OD客流預(yù)測中的性能對比。從圖中可以看出，STGAT模型的預(yù)測結(jié)果最接近真實值，對客流量的變化趨勢和峰值捕捉得最為準(zhǔn)確。其次是GCN和LSTM模型，它們雖然在一些時段的預(yù)測值與真實值有所偏離，但總體上仍然能夠較好地擬合客流量的變化趨勢。

各模型評價指標(biāo)對比如表2所示：

由表2中的評價指標(biāo)比較表明，在北京公交1路上、下行方向的OD客流預(yù)測中：STGAT模型在該數(shù)據(jù)集上的預(yù)測性能最優(yōu)，這表明STGAT模型能夠很好地捕捉數(shù)據(jù)的內(nèi)在模式和趨勢。

4 結(jié)語

時空客流預(yù)測模型STGAT通過構(gòu)建時空圖注意力網(wǎng)絡(luò)，引入圖注意力機(jī)制自適應(yīng)學(xué)習(xí)站點(diǎn)之間的影響權(quán)重，捕捉客流在時空維度上的演變規(guī)律，同時結(jié)合站點(diǎn)POI等空間特征，增強(qiáng)了模型的解釋性。

參考文獻(xiàn)

[1]Yang D，Chen K，Yang M，et al.Urban rail transit passenger flow forecast based on LSTM with enhanced long-term features[J].Intelligent Transport Systems，IET， 2019，13（10）： 1475-1482.

[2]侯曉云，邵麗萍，李靜，等．基于深度學(xué)習(xí)的城市軌道交通短時客流起訖點(diǎn)預(yù)測[J]．城市軌道交通研究， 2020（1）：55-58+115.

[3]Yang Y，Liu J，Shang P，et al.Dynamic Origin-Destination Matrix Estimation Based on Urban Rail Transit AFC Data： Deep Optimization Framework with Forward Passing and Backpropagation Techniques[J].Journal of Advanced Transportation， 2020：1-16.

[4]何惠雨，付曉，呂啟航.突發(fā)事件影響下的城市居民出行活動時空模式研究[J].時空信息學(xué)報， 2024（2）：259-268.